Ce este o baterie litiu-ion - construcție și tipuri

Elementul cheie în mobilitatea dispozitivelor electronice este bateria reîncărcabilă (acumulatorul). Cererea tot mai mare de a asigura o autonomie cât mai mare a condus la o cercetare continuă în acest domeniu și a dus la dezvoltarea de noi soluții tehnologice.

A fost introdusă o alternativă la bateriile Ni-Cd și Ni-MH utilizate pe scară largă, mai întâi bateriile cu litiu și apoi bateriile cu ioni de litiu, mai avansate.

Istorie

Primele baterii de acest tip au apărut în anii 1970. Acestea au fost imediat solicitate datorită performanțelor lor îmbunătățite. Anodul celulei a fost realizat din litiu metalic, ale cărui proprietăți au făcut posibilă creșterea densității energetice. În acest fel au fost dezvoltate bateriile cu litiu.

Noile baterii aveau un dezavantaj major - un risc crescut de explozie și aprindere. Motivul a fost formarea unei pelicule de litiu pe suprafața electrozilor, ceea ce a dus la instabilitatea temperaturii. La sarcină maximă, bateria ar putea exploda.

O perfecționare a tehnologiei a dus la renunțarea la litiu pur în componentele bateriei în favoarea utilizării de ioni încărcați pozitiv. Bateria cu ioni de litiu s-a dovedit a fi o soluție de succes.

Acest tip de baterie are o marjă de siguranță mai mare din cauza unei densități energetice ușor mai mici, dar progresele tehnologice au făcut posibilă reducerea la minimum a acestui dezavantaj.

Dispozitivul

Introducerea bateriilor litiu-ion în aparatele electronice de larg consum a înregistrat un progres important odată cu dezvoltarea unei baterii cu un catod din material carbonic (grafit) și un anod din oxid de cobalt.

Procesul de descărcare îndepărtează ionii de litiu din materialul catodic și îi încorporează în oxidul de cobalt din electrodul opus; în timpul încărcării, procesul se desfășoară în sens invers. În acest fel, ionii de litiu creează curentul electric prin deplasarea de la un electrod la celălalt.

Bateriile Li-Ion sunt produse în modele cilindrice și prismatice. În modelul cilindric, două panglici de electrozi plane separate de un material impregnat cu electrolit sunt înfășurate și plasate într-o carcasă metalică etanșă. Materialul catodic este aplicat pe o folie de aluminiu, iar cel anodic pe o folie de cupru.

Designul prismatic al bateriei este obținut prin suprapunerea unor plăci dreptunghiulare. Această formă a bateriei face posibilă o mai mare densitate a dispozitivului electronic. Bateriile prismatice sunt, de asemenea, disponibile cu electrozi înfășurați, răsuciți în spirală.

Funcționare și durată de viață

Funcționarea îndelungată, fiabilă și sigură a bateriilor litiu-ion depinde de utilizarea corectă, nerespectarea acestui lucru nu numai că va scurta durata de viață a produsului, dar poate duce și la consecințe negative.

Operațiunea

Cerința cheie pentru funcționarea bateriilor Li-Ion este temperatura - trebuie evitată supraîncălzirea. Temperaturile ridicate pot provoca daune maxime, iar supraîncălzirea poate fi cauzată de o sursă externă, precum și de practicile stresante de încărcare și descărcare.

De exemplu, încălzirea până la 45°C va reduce capacitatea bateriei de a menține o încărcare de până la 2 ori. Această temperatură poate fi obținută cu ușurință prin expunerea dispozitivului la soare pentru perioade lungi de timp sau prin rularea unor aplicații cu consum mare de energie.

Dacă produsul se supraîncălzește, este recomandabil să îl așezați într-un loc răcoros, de preferință cu bateria oprită și scoasă.

În timpul verii, ar trebui să utilizați modul de economisire a energiei al bateriei, disponibil pe majoritatea dispozitivelor mobile, pentru a o menține în stare de funcționare optimă.

Temperaturile scăzute au, de asemenea, un efect negativ asupra bateriilor Li-Ion, la temperaturi mai mici de -4°C, bateria nu mai poate furniza capacitatea sa maximă.

Cu toate acestea, frigul nu este la fel de dăunător pentru bateriile Li-Ion ca temperaturile ridicate și, de cele mai multe ori, nu va cauza daune permanente. Deși performanța bateriei este complet restabilită după ce se încălzește la temperatura camerei, nu trebuie uitată reducerea capacității la rece.

O altă regulă de bază pentru bateriile Li-Ion este de a nu le lăsa să se descarce profund. Multe generații anterioare de baterii aveau un efect de memorie care necesita descărcarea lor la zero și apoi încărcarea lor completă. Bateriile Li-Ion nu au acest efect, descărcările complete ocazionale nu au efecte adverse, dar descărcările profunde continue sunt dăunătoare. Se recomandă ca încărcătorul să fie conectat la un nivel de încărcare de 30%.

Pe viață

Utilizarea incorectă a bateriilor Li-Ion poate scurta durata de viață a acestora cu un factor de 10 până la 12. Acest termen este direct legat de numărul de cicluri de încărcare. Se estimează că bateriile Li-Ion pot fi utilizate între 500 și 1000 de cicluri la o stare complet descărcată. Un procent mai mare de încărcare rămasă înainte de următoarea încărcare va crește semnificativ durata de viață a bateriei.

Deoarece durata de viață a bateriilor Li-Ion este determinată în mare măsură de condițiile de funcționare, nu este posibil să se ofere o speranță de viață exactă pentru aceste baterii. În medie, vă puteți aștepta ca o baterie de acest tip să dureze între 7 și 10 ani, dacă sunt respectate condițiile necesare.

Procesul de încărcare

Evitați să conectați bateria la încărcător pentru o perioadă excesivă de timp atunci când o încărcați. Bateria litiu-ion va funcționa în mod normal la o tensiune care nu depășește 3,6 volți. Încărcătoarele aplică 4,2 V la intrarea bateriei în timpul procesului de încărcare. Dacă timpul de încărcare este depășit, în baterie pot începe reacții electrochimice nedorite, ceea ce va duce la supraîncălzire, cu toate consecințele care decurg de aici.

Dezvoltatorii au ținut cont de această caracteristică - siguranța încărcării bateriilor Li-Ion moderne este controlată de un dispozitiv special încorporat care oprește procesul de încărcare dacă tensiunea crește peste nivelul permis.

În cazul bateriilor cu litiu, metoda de încărcare în două etape este cea mai corectă. Prima etapă constă în încărcarea bateriei prin furnizarea unui curent de încărcare constant, a doua etapă constă în furnizarea unei tensiuni constante și reducerea treptată a curentului de încărcare. Acest algoritm este implementat la nivel hardware în majoritatea încărcătoarelor de baterii casnice.

Depozitare și eliminare

O baterie cu ioni de litiu poate fi stocată pentru o perioadă lungă de timp, cu o autodescărcare de 10-20% pe an. Cu toate acestea, caracteristicile produsului (degradare) se deteriorează treptat în timp.

Bateria trebuie depozitată la o temperatură cuprinsă între +5°C și +25°C și protejată de umiditate. Evitați vibrațiile puternice, șocurile sau contactul cu flăcările deschise.

Reciclarea bateriilor litiu-ion trebuie să fie efectuată de instalații de reciclare autorizate corespunzător. Aproximativ 80% din materialele din bateriile reciclate pot fi refolosite în producția de baterii noi.

Siguranță

O baterie litiu-ion, chiar și în dimensiunea sa miniaturală, prezintă un risc de autoaprindere explozivă. Caracteristica specială a acestui tip de baterie necesită măsuri de siguranță în toate etapele, de la proiectare la producție și depozitare.

Pentru a îmbunătăți siguranța bateriilor Li-Ion, în timpul fabricării, în interiorul bateriei este plasată o placă de circuite electronice de mici dimensiuni, un sistem de control și de gestionare conceput pentru a preveni supraîncărcarea și supraîncălzirea. Mecanismul electronic mărește rezistența circuitului atunci când temperatura crește peste o limită prestabilită. Unele modele de baterii au un întrerupător mecanic încorporat care deschide circuitul atunci când presiunea din interiorul bateriei crește.

Carcasele bateriilor sunt, de asemenea, adesea echipate cu o supapă de siguranță, care eliberează presiunea în caz de urgență.

Avantajele și dezavantajele bateriilor cu litiu

Avantajele acestui tip de baterie sunt:

• densitate energetică ridicată;
• niciun efect de memorie;
• durată lungă de viață;
• rată scăzută de autodescărcare;
• nu necesită întreținere;
• nu este nevoie de întreținere; nu este nevoie de întreținere; nu este nevoie de întreținere; nu este nevoie de întreținere.

Bateria cu litiu are, de asemenea, dezavantaje, cum ar fi

• riscul de autoaprindere;
• costuri mai mari decât predecesorii săi;
• necesitatea unui controler încorporat;
• nedorința descărcării în adâncime.

Tehnologia bateriilor Li-Ion se îmbunătățește în mod constant, multe dintre deficiențe devenind treptat un lucru de domeniul trecutului.

Aplicații

Densitatea ridicată de energie a bateriilor litiu-ion determină principalul lor domeniu de aplicare - dispozitive electronice mobile: laptopuri, tablete, smartphone-uri, camere video, aparate foto, sisteme de navigație, diverși senzori încorporați și alte produse.

Existența factorului de formă cilindrică a acestor baterii permite utilizarea lor în lanterne, telefoane fixe și alte dispozitive care anterior consumau energie din baterii de unică folosință.

Principiul de construcție al bateriilor litiu-ion are mai multe variante, tipurile diferă prin tipul de materiale utilizate (litiu-cobalt, litiu-mangan, litiu-nichel-mangan-cobalt-oxid etc.). Fiecare își găsește propria aplicație.

Pe lângă electronicele mobile, grupul de baterii litiu-ion este utilizat în următoarele aplicații

• unelte electrice portabile;
• echipamente medicale portabile;
• surse de alimentare neîntreruptibile;
• sisteme de securitate;
• module de iluminat de urgență;
• centrale solare;
• mașini electrice și biciclete electrice.

Având în vedere progresele constante ale tehnologiei litiu-ion și succesul bateriilor de mare capacitate de dimensiuni mici, putem anticipa o extindere a gamei de aplicații pentru astfel de baterii.

Etichetare

Bateriile litiu-ion sunt marcate pe carcasa exterioară a produsului, iar codul poate varia semnificativ de la o dimensiune la alta. Nu a fost încă elaborat un standard comun pentru toți producătorii de baterii, dar este încă posibil să înțelegeți singuri cei mai importanți parametri.

Literele de pe rând indică tipul de celulă și materialele utilizate: prima literă I indică tehnologia litiu-ion, următoarea literă (C, M, F sau N) specifică compoziția chimică, iar a treia literă R înseamnă că celula este reîncărcabilă.

Numerele din denumirea mărimii indică dimensiunea bateriei în milimetri: primele două numere indică diametrul, iar celelalte două, lungimea. De exemplu, 18650 indică faptul că diametrul este de 18 mm și lungimea de 65 mm, iar 0 indică factorul de formă cilindrică.

Ultimele litere și cifre din rând sunt marcaje de capacitate specifice producătorului. De asemenea, nu există standarde uniforme pentru indicarea datei de fabricație.

Articole conexe: